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Main Title: Investigation of regional ionospheric irregularities over Africa (IRIA)
Translated Title: Untersuchung regionaler Störungen in der Ionosphäre über Afrika (IRIA)
Author(s): Seun, Oluwadare Temitope
Advisor(s): Schuh, Harald
Mahdi, Alizadeh M.
Referee(s): Schuh, Harald
Schmidt, Michael
Mahdi, Alizadeh M.
Jakowski, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13070
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11866
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: The Earth’s upper atmosphere – a part of it, the ionosphere- is a dynamic partly ionized region with temporal and spatial variations under different phases of solar activity. The ionosphere being a dispersive medium causes signal strength fluctuation, propagation delay, signal attenuation, and signal degradation. These have constituted significant threats to both communication and navigation systems operating in microwave band which is due to the presence of high electron density and its irregularities. The key parameter of the ionosphere which is closely related to most of these delay effects on radio signals is the electron density and density gradients, in particular -its vertical integral, the Total Electron Content (TEC) which can be estimated from the Global Positioning System (GPS) data. The estimated TEC profiles, and TEC perturbation are studied to gain insights into the occurrence of irregular structures in the ionosphere and their distribution. One of the ionospheric irregularities located within the F region, and E region top side are Traveling ionospheric disturbances (TIDs). TIDs are propagating perturbations in the ionospheric electron density as a consequence of Atmospheric Gravity Waves (AGWs) passage. The AGWs originate in the troposphere or stratosphere, and exhibit neutral wind perturbations propagating to the F region heights (i.e. ionospheric heights), where the neutral wind perturbations interact with the plasma via collisions, carrying it along the magnetic field lines (i.e. ion-neutral collision). This entire process in the ionosphere is manifested as oscillations of the ionospheric electron density, resulting in a TID. However, TIDs vary in scale sizes ranging within a few hundred kilometers (km) to over one thousand km, and based on this, they are categorized as either medium-scale TIDs (MSTIDs) or large scale TIDs (LSTIDs). In this thesis, we focus only on MSTIDs as one of the major and frequent ionospheric irregularity phenomena which may degrade positioning systems and could cause a delay in GPS signal transmission between a satellite and the GPS receiver. Multiple studies of ionospheric irregularities with the main focus on MSTIDs over different regions and continents around the world have been carried out, but studies of MSTIDs over the African region have neither been carried out nor reported probably due to lack of GPS data set, and the question of what drives its occurrence in the region which is not yet documented. The objective of this thesis is to study and describe for the first time the occurrence of MSTIDs and its characteristics over the African region under quiet geomagnetic condition (Kp ≤ 3) during the years 2008 – 2016. In addition, this thesis presents novel results of the time series of MSTIDs percentage occurrence rate (POR) during daytime and nighttime, and seasonal occurrence. Ion-neutral coupling processes like the connection between AGW and MSTIDs are also discussed in the study. Observational TEC data used in this thesis are obtained from ground-based GPS networks within the African region and nearby stations. Additionally, temperature data from COSMIC radio occultation and SABER satellite observations for some case studies were used to validate AGWs passage as a driving source of MSTIDs, especially during the daytime. Consequently, regional MSTIDs distribution maps have been generated to capture the latitudinal, seasonal, and local time extent of the MSTID occurrence. Investigation of regional ionospheric irregularities over Africa (IRIA) gives a novel result of a climatological view of MSTIDs over Northern and Southern hemispheres in the African region.
Die obere Erdatmosphäre - ein Teil davon ist die Ionosphäre - ist eine dynamische und teilweise ionisierte Region mit unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Schwankungen während verschiedenen Phasen der Sonnenaktivität. Die Ionosphäre ist ein dispersives Medium. Sie verursacht Signalstärkeschwankungen, Ausbreitungsverzögerungen, Signaldämpfung und Signalverschlechterungen. Das stellt eine erhebliche Störungsquelle für Kommunikations- und Navigationssysteme dar, die im Mikrowellenbereich arbeiten. Die Störungen sind auf das Vorhandensein einer hohen Elektronendichte und deren Unregelmäßigkeiten zurückzuführen. Der Schlüsselparameter der Ionosphäre, der eng mit den meisten dieser Verzögerungseffekte auf die Signale zusammenhängt, ist die Elektronendichte und der Dichtegradient, insbesondere sein vertikales Integral, der Gesamtelektronengehalt (TEC), der aus den Global Positioning System (GPS) Daten bestimmt werden kann. Die errechneten TEC-Profile und die TEC-Störung werden untersucht, um Einblicke in das Auftreten unregelmäßiger Strukturen in der Ionosphäre und deren Verteilung zu erhalten. Ein Phänomen innerhalb der F-Region und der Oberseite der E-Region sind wandernde ionosphärische Störungen (TIDs). TIDs sind sich ausbreitende Störungen der ionosphärischen Elektronendichte als Folge des Durchgangs von atmosphärischen Schwerkraftwellen (AGWs). Die AGWs stammen aus der Troposphäre oder Stratosphäre und weisen Störungen des neutralen Windes auf, die sich in der Höhe der ionosphärischen F-Region ausbreiten, wo die neutralen Windstörungen über Kollisionen mit dem Plasma interagieren und es entlang der Magnetfeldlinien zu Interaktionen der neutralen und der ionisierten Bestandteile der Hochatmosphäre kommt. Dieser gesamte Prozess in der Ionosphäre erzeugt Schwingungen der ionosphärischen Elektronendichte, was zu einer TID führt. TIDs variieren jedoch in ihrer Skalengrößen zwischen einigen hundert Kilometern und über tausend Kilometern. Auf dieser Grundlage werden sie entweder als mittelgroße TIDs (MSTIDs) oder als große TIDs (LSTIDs) kategorisiert. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns nur auf MSTIDs als eines der wichtigsten und häufigsten Phänomene der ionosphärischen Unregelmäßigkeit, die Positionierungssysteme beeinträchtigen und die GPSSignalübertragung zwischen einem Satelliten und dem GPS-Empfänger verzögern können. Eines der häufig auftretenden ionosphärischen Phänomene innerhalb der F-Region oberhalb der ERegion sind die so genannten Medium Scale Traveling Ionospheric Disturbances (MSTIDs). MSTIDs erscheinen häufig als wellenartige Schwankungen der Elektronendichte als Folge von Kopplungsprozessen mit atmosphärischen Schwerewellen (AGWs), die aus der Troposphäre oder Stratosphäre stammen. Kopplungsprozessen zwischen der neutralen Hochatmosphäre und der Ionosphäre erzeugen Oszillationen in der Plasmadichte. Dieser Prozess führt folglich zu wellenförmigen Strukturen im TEC, was zu einer Verringerung der Genauigkeit der präzisen GPS-Positionierung und Navigation führen kann. In verschiedenen Regionen und Kontinenten auf der ganzen Welt wurden mehrere Studien zu ionosphärischen Unregelmäßigkeiten mit dem Schwerpunkt auf MSTIDs durchgeführt. Studien zu MSTIDs in der afrikanischen Region sind jedoch rar, wahrscheinlich aufgrund des Fehlens eines geeigneten GPS-Datensatzes. Somit konnte die Frage, was sein Auftreten in der Region antreibt, noch nicht beantwortet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, erstmals das Auftreten von MSTIDs und ihre Eigenschaften in der afrikanischen Region unter ruhigen geomagnetischen Bedingungen (Kp ≤ 3) in den Jahren 2008 -2016 zu untersuchen und zu beschreiben. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit neue Ergebnisse von Zeitreihe der prozentualen MSTID-Auftrittsrate (POR) während des Tages und der Nacht sowie das saisonale Auftreten vorgestellt. Kopplungsprozesse zwischen der neutralen Hochatmosphäre und der Ionosphäre wie die Verbindung zwischen AGW und MSTIDs werden hier ebenfalls in der Studie diskutiert. Die in dieser Arbeit verwendeten TEC-Beobachtungsdaten stammen von bodengestützten GPS-Empfängernetzwerken in der afrikanischen Region sowie von nahe gelegenen Stationen. Zusätzlich wurden Temperaturdaten aus COSMIC-Radiookkultation und SABER-Satellitenbeobachtungen für einige Fallstudien verwendet, um das Auftreten von Schwerewellen als hauptsächliche Quelle der MSTIDs zu identifizieren und validieren, insbesondere tagsüber. Folglich wurden regionale MSTID-Verteilungskarten erstellt, um die Verteilung des Auftretens der MSTIDs in Abhängigkeit von der geografischen Breite, der Jahreszeit und der Lokalzeit zu erfassen. Die Untersuchung regionaler ionosphärischer Unregelmäßigkeiten über Afrika (IRIA) liefert ein neues Ergebnis einer klimatologischen Betrachtung von MSTIDs über der nördlichen und südlichen Hemisphäre des afrikanischen Kontinents.
Subject(s): ionosphere
GNSS measurements
thermosphere-ionosphere coupling
MSTIDs
AGWs
Ionosphäre
GNSS-Messungen
Thermosphäre-Ionosphäre-Kopplungen
Issue Date: 2021
Date Available: 28-Jun-2021
Exam Date: 3-Nov-2020
Language Code: en
DDC Class: 550 Geowissenschaften
TU Affiliation(s): Fak. 6 Planen Bauen Umwelt » Inst. Geodäsie und Geoinformationstechnik » FG Satellitengeodäsie
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